流體機械方向《材料力學》課程改革的探索與實踐

陳愛平 李芳環(huán) 趙小娟 梅志敏

0 引言

2012年，我校獲批綠色風機制造湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心。依托該中心，學校在機械設計制造及其自動化專業(yè)里設立流體機械這一特色方向，并為該方向制定人才培養(yǎng)方案?！恫牧狭W》是該人培中的一門專業(yè)基礎課，同時它也是大部分工科專業(yè)的重要必修課，歷史悠遠，到現(xiàn)在該課程已經(jīng)形成了一定的教學套路。一般專業(yè)按照套路授課教學，自然沒有什么問題。但是流體機械是一種比較特殊的機械，其形狀和零部件有其特異性。如果課程全部采用傳統(tǒng)的教學方式和教學內(nèi)容，勢必影響學生對流體機械相關知識的理解和應用。為了更好地服務該特色方向的后期專業(yè)課程，勢必要對該課程的教學作出適當?shù)母淖儭?/p>

1 課程的教學現(xiàn)狀

1.1 理論部分教學現(xiàn)狀

課程內(nèi)容多?！恫牧狭W》課程的理論教學內(nèi)容涉及四種基本變形（拉伸與壓縮、剪切與擠壓、扭轉(zhuǎn)、彎曲）的內(nèi)力與應力計算，強度與剛度的校核，以及應力狀態(tài)和強度理論，組合變形，壓桿穩(wěn)定等內(nèi)容。牽涉到的概念抽象，公式繁多。

而且，現(xiàn)有的理論課程采用的實例與本專業(yè)后期課關聯(lián)不是那么緊密。主講教師備課所用實例大部分取自于教材和類似的參考書，而市面上的教材或參考書的素材基本上是都是針對大工科，基本上都是常用件，并且是常用件的力學模型，沒有流體機械所特有的零部件實例，影響該門課程與后期相關專業(yè)課程的順利銜接。

一般來說，該門課程的理論課程教學方式都是在教室里由老師口授知識點，學生做練習這樣的老套路，學生學習興趣不高。理論課程的教學就形成了一個怪圈：老師教得辛苦，學生學得更難受，但是到最后，教學效果總是不盡如人意。

1.2 實驗部分教學現(xiàn)狀

學?，F(xiàn)有的力學實驗室只有5 臺多功能力學試驗機，開設金屬材料的拉伸、壓縮、扭轉(zhuǎn)、完全實驗。實驗的內(nèi)容重復，拉伸實驗和壓縮實驗的方法大同小異，體現(xiàn)不出實驗的設計性。但日常生活中的流體機械如風扇等的零部件是非金屬的，很明顯在流體機械方向全部用金屬試件不太合適，還得加上其他材料試件的實驗。

2 課程改革探索

2.1 修改大綱，優(yōu)選內(nèi)容

首先，對于應力狀態(tài)和強度理論的知識點，一般的機械專業(yè)多是作為重點和難點來授課，其理論性很強，牽涉到很多理論學假設和數(shù)學知識，為了講清楚這些內(nèi)容，往往會安排十多個學時的授課課時。但是即使這樣，能基本聽懂的學生只占少數(shù)，這些內(nèi)容在考研筆試中占據(jù)很大的比重，但在實際應用中并不需要掌握得很深。我校流體機教方向的學生，他們屬于應用型本科生，只需要理解強度理論的應用就可以了。所以此次修訂大綱規(guī)定該方向的學生只需理解四大強度理論的當量應力值與主應力的關系，掌握四大強度理論的應用范圍就夠了，只需安排2個課時。

另外，對于扭轉(zhuǎn)變形的切應力計算公式、扭轉(zhuǎn)角計算公式、彎曲變形的正應力計算公式等，以往的大綱都是要求理解其推導過程。但是這些推導過程牽涉到靜力學的空間力系合成，高等數(shù)學微積分，變形幾何關系，胡克定律，即使老師花2- 4 個學時講授，很多學生聽起來也很吃勁。且這些推導對該后期專業(yè)課的作用幾乎為零。為此，此次將這些理論性較強的推導全部刪除，只要求學生會用這些應力、變形的公式即可。

然后，對于平面彎曲的撓度和轉(zhuǎn)角的計算（疊加法和積分法），以前的大綱規(guī)定兩種方法都要求掌握。疊加法是站在前人的肩膀上，查表疊加基本載荷所引起的變形即可，省時省力，計算準確度高。而積分法耗時耗力，是理論分析的重要手段，實際應用并不多。事實情況是后期的課程設計，還有專業(yè)課學習以及工廠的設計說明書都采用的是疊加法計算。此次大綱修訂規(guī)定：增加疊加法的授課學時，對于積分法，鼓勵學生自學，課堂不再安排授課學時。

2.2 聯(lián)系工程，精選素材

流體機械的種類很多，常見的有各種風扇，除塵鼓風機，壓縮機等等。為了更好地學習后期的專業(yè)課，可以在相關章節(jié)中增加不流體機械零部件的實例作為授課素材。比如，葉輪組的主軸，日常生活常見的落地扇都可以做素材。

彎扭組合章節(jié)是《材料力學》課程的重點章節(jié)，機械專業(yè)一般選取軸上零件為帶輪、齒輪的階梯軸校核作為實例。對于流體機械方向，在此實例的基礎之上，要增加軸上零件為葉輪組的階梯軸實例。標明階梯軸各段的周向尺寸和軸向尺寸，葉輪質(zhì)量，葉輪懸臂端軸質(zhì)量，軸的質(zhì)量，聯(lián)軸器的重量，這些工程實際參數(shù)是如何轉(zhuǎn)為校核計算所需的數(shù)值都是必須詳細講解的內(nèi)容，這些往往也是學生畢業(yè)之后拿到實際的項目不知如何動手的原因之一。

對于壓桿的穩(wěn)定性，選取實例時，一般工科專業(yè)采用的是力學模型如圖1 所示，針對模型上講解柔度、慣性半徑、當量長度、臨界載荷、臨界應力的相關知識。這些模型都是可以從書上查表查到的，學生后面碰到題目，照著教材的表，都能做出來?？墒桥龅綄嵨?，就不知道怎么判定。到底屬于哪一類約束，到底可以套用書上哪一種情況了?？梢栽黾恿黧w機械的素材：落地扇的立桿，如圖2 所示。給定各個部件的尺寸、重量、立桿的斷面圖（當然，學生也可以實測這些參數(shù)）。讓學生先判斷屬于哪一種約束，然后計算具體產(chǎn)品的柔度、當量長度、慣性半徑，驗算其穩(wěn)定性。這樣選取實例素材，既可以讓學生更快地將所學理論知識與實際設計相關聯(lián)，也可以鍛煉學生的建模能力。很多學生自我感覺力學學得好（考試考得好），但是到了實際設計計算時，不知道如何下手，是因為力學模型和實物中間是有落差的，要把模型和實物相關聯(lián)，既可以開闊其專業(yè)視野，還能加快從畢業(yè)生到工程師的過渡時間。

另外，為了生活方便，一般家用落地扇的立桿都會設計為高度可調(diào)的升降桿形式。在此時，可以給定各部件的重量，立桿材料的力學性能參數(shù)（如果不是常見材料，可以通過實驗自己測）。立桿的最低高度根據(jù)人的一般坐高給定。要求學生根據(jù)壓桿的穩(wěn)定性條件計算立桿的最大高度（也就是設計落地扇的高度范圍）。這樣學生相當于做了一個小設計，做完之后，學生的成就感會得到極大的提高，觸發(fā)學習動機。

高度可調(diào)的落地扇立桿，其升降管部分的螺母是連接件，受到剪切和擠壓變形（四大基本變形之二）?？梢宰鳛闉榧羟凶冃蔚膶嵗夭?，根據(jù)剪切和擠壓強度計算螺母的最小直徑，然后查閱第二學期機械制圖中螺紋標準件的尺寸，確定螺母的類型。

圖1 壓桿力學模型

圖2 落地扇實物

2.3 展示產(chǎn)品資料，激活課堂

《材料力學》的傳統(tǒng)授課形式是：授課老師首先講相關的概念、公式、方法，然后舉例子加深學生對相關理論知識的理解，有時候還會舉一些實例進行講解，當然，這些實例大部分是一些老舊的力學模型。再就是挑選一些習題讓學生練習，最后老師來講解總結(jié)。這種教學方式一板一眼，中規(guī)中矩，學生興趣一般，學習成效也有限。對于我校流體機械的學生而言，可以借助一些外力手段來豐富課堂內(nèi)容，提升學習成效。比如說，可以借助企業(yè)平臺的相關資源，向展示相關知識點的作用，激發(fā)學生的學習動力。因為是校企協(xié)同，可以從協(xié)同企業(yè)（鼓風機廠）借閱設計說明書和圖紙（保密級別已經(jīng)調(diào)低的資料），直接在課堂上展示實際的產(chǎn)品設計說明書是怎么寫的，用到課程的哪些知識。

比如在講解彎扭組合變形時，可以先將鼓風機成品的照片、設計的裝配圖、離心鼓風機主軸零件圖、主軸的設計校核說明書、進行展示，然后對著其講解彎扭組合的內(nèi)力，危險面。學生在課堂上直面這些資料，受到的沖擊很大。然后再針對剛才展示的主軸實例，講解其彎扭組合變形，對比書上的理論方法和實際應用。

講解彎曲變形的撓度計算時，也可以采用同樣的方法。先向?qū)W生展示大型風機的主軸在工作時彎曲變形的計算說明書，以及如果相關參數(shù)指標超標，會出現(xiàn)的后果。學生看到這些，腦海里的反映就是，這個學了有用，以后上班要用的。自然，會認真領會這些知識點。

2.4 依托平臺，創(chuàng)新實驗

原有材料力學的實驗課主要開設拉伸，壓縮，扭轉(zhuǎn)，彎曲實驗。這些實驗都是驗證性實驗，操作過程相似度極高。學生除了在做第一個拉伸實驗表現(xiàn)出極高的興致之外，做其他幾個實驗都提不起勁，并且，實驗所用試件的材料全部都是低碳鋼和灰鑄鐵等金屬材料。對于流體機械來說，雖然有一部分部件是用金屬做的，但是很大比例的零部件都是非金屬材料。如中小型的一些風機的葉片，立桿等。這些零部件在工作過程中，容易變形，同樣需要校核，也需要了解其材料的力學性能。因而，在實驗課中要做如下改革：一是試件不能只是拘泥于金屬材料，材料得多樣化。二是要開發(fā)其他的實驗項目。

2.4.1 自制試件，拓寬實體實驗種類

市面上常見的教學用力學試件基本都是金屬的，但是流體機械會牽涉到其他材料的零部件，所以該方向的學生必須了解部分非金屬材料的力學性能?？梢越柚鷧f(xié)同企業(yè)和校內(nèi)工廠自制一些非金屬材料的試件，提供給需要的學生做力學性能測試實驗。

比如有些風機的立桿、葉片由聚酯樹脂、乙烯基樹脂和環(huán)氧樹脂等熱固性基體樹脂與玻璃纖維、玻璃纖維、碳纖維等增強材料，通過樹脂注入等成型工藝復合而成。這些零部件都需要進行校核，自然必須明確材料的力學性能參數(shù)。

協(xié)同企業(yè)本身有這些特定合成材料做成的毛坯件（企業(yè)后期可以根據(jù)需要將毛坯件加工成所需要的葉輪等部件）。學?；ㄙM一定的資金購買這些合成材料的毛坯件。材料力學課程組老師畫出做標準試件的圖紙。校內(nèi)金工實習工廠，根據(jù)圖紙的尺寸，將從企業(yè)買回來的合成材料毛坯件，加工成尺寸達標的標準試件。流體機械的學生在做力學實驗時，既要完成金屬材料試件的測試，又要完這些合成材料試件的測試。這樣學生對于后期專業(yè)課可能會出現(xiàn)的材料力學性能有著深刻的了解。同時，也教會學生如何測定新型材料的力學性能。

2.4.2 借助軟件，開發(fā)部分虛擬實驗

因為實驗設備的原因（目前學校只有5 臺多功能材料力學試驗機），所以能夠開設的力學實驗項目有限。并且有限的項目還有一些是重復的。對于流體機械方向比較重要的兩個實驗：一是彎扭組合，二是壓桿穩(wěn)定，試驗機是沒法開設的。材料力學課程組借助仿真軟件，開發(fā)虛擬實驗來呈現(xiàn)這兩個實驗。在第三學期，流體機械方向?qū)W生已經(jīng)在Solidworks 課程中將工業(yè)落地扇的立桿，大型鼓風機的主軸建好模型（當然這一切都是在人才培養(yǎng)方案和大綱中提前設定好的課程體系）。第四學期上力學實驗課時，實驗課老師應用Solidwork Simulation 模塊，對主軸模型進行網(wǎng)格劃分，虛擬加載轉(zhuǎn)矩和徑向力（這些外載荷使得主軸發(fā)生彎扭組合變形）。軟件就可以自動模擬其變形過程。實驗者還可以直觀地讀到顯示各個部位的應力和變形圖片。當然，學生還可以用理論課堂上學到的知識求解某一點的應力，將計算值和模擬仿真值進行比較。

對于壓桿穩(wěn)定實驗，同樣應用Solidwork Simulation 模塊，對立桿模型進行網(wǎng)格劃分，虛擬加載壓力（壓力可以由0 開始緩慢增加，直至立桿發(fā)生顯著的失穩(wěn)現(xiàn)象）。在這一過程中，學生一方面可以觀察到失穩(wěn)的形式，幫助理解失穩(wěn)的概念，另一方面可以用理論課的方法計算出臨界壓力，將計算值與仿真值進行對比。

應用三維軟件實現(xiàn)兩個材料力學實驗，以其直觀的過程激發(fā)學生的學習興趣，增強學習效果。而且，通過這個虛擬實驗，學生可以入門Solidworks Simulation 模塊的使用，他們相當于又多了一項技能。

3 結(jié)語

我校流體機械方向從2012年開始招生，目前已經(jīng)有了4屆畢業(yè)生。2012、2013 級學生的材料力學課程采用的是傳統(tǒng)的教學方式和教學內(nèi)容。2014、2015 級學生的材料力學課程開始采用上述方式和內(nèi)容進行授課。

從風機課程設計、畢業(yè)設計、這兩個個方面對比這四屆學生的學習效果。

課程設計和畢業(yè)設計的指導老師反映：后兩屆學生在做設計時，對于牽涉到的校核問題，明顯優(yōu)于前兩屆。設計過程中，后兩屆學生在校核方面的基本不需要指導老師詳細講解，有的也只需要稍加點撥即可。但前兩屆學生在設計校核方面出現(xiàn)卡頓的概率要大得多。

從對比結(jié)果看，材料力學課程的教學內(nèi)容、教學方式的改革確實有助于教學效果的提升和學生能力的培養(yǎng)。